(57)【要約】【課題】減圧ポンプを使わずに、効率よく濃縮酸素の供給量得ることのできる酸素濃縮装置を提供することを目的とする。【解決手段】酸素イオン導電性を持つ固体電解質からなる酸素ポンプ素子１を直方体の酸素濃縮用の筐体２の相対する２面に配置し、それら酸素ポンプ素子１の中心部にヒータ３を配置したものである。その結果、酸素ポンプ素子１を有効に加熱しながら、直流電圧を印加して酸素を発生させることができるものである。【選択図】図１
2007204347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン導電性を有する固体電解質から形成された酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子を加熱するヒータとを備え、前記酸素ポンプ素子を筐体の相対する２面に配置し、それら酸素ポンプの間に前記ヒータを対向して位置させた酸素濃縮装置。
【請求項２】
酸素ポンプ素子よりもヒータを大きく設定した請求項１記載の酸素濃縮装置。
【請求項３】
ヒータの中央部分より周囲の面積あたりの発熱量を高く設定した請求項１記載の酸素濃縮装置。
【請求項４】
筐体の一部位に酸素取出し用の孔を形成した請求項1記載の酸素濃縮装置。
【請求項５】
垂直方向に配置されたヒータの最上端より上部に孔を位置させた請求項４記載の酸素濃縮装置。
【請求項６】
ヒータへの電力供給用リード線を同ヒータのより下部より導出した請求項１記載の酸素濃縮装置。
【請求項７】
筐体の外側にさらに外殻筐体を設けて、それらの間に空流動空間を形成し、この空流動空間を流動する空気中から酸素ポンプ素子を介して酸素を濃縮取出し、前記筐体内部へ送り込むようにした請求項１記載の酸素濃縮装置。
【請求項８】
外殻筐体の下部と上部に吸気口と排気口を設けた請求項７記載の酸素濃縮装置。
【請求項９】
排気口はヒータの最上端より高い位置に設けた請求項８記載の酸素濃縮装置。
【請求項１０】
排気口はヒータの最下端より低い位置に設けた請求項８記載の酸素濃縮装置。
【請求項１１】
空流動空間に臨む放熱体を筐体より形成した請求項７記載の酸素濃縮装置。
【請求項１２】
外殻筐体内を壁で仕切ることで、外側空気室と酸素ポンプ素子と接する内側空気室とを構成するとともに、それら内、外空気室は相互に連通させた請求項７記載の酸素濃縮装置。
【請求項１３】
内、外空気室はそれらの上部で相互に連通しており、前記内側空気室の下部に吸気口を、外側空気室の下部に排気口をそれぞれ形成した請求項１２記載の酸素濃縮装置。
【請求項１４】
内側空気室の吸気口を外側空気室の排気口よりも低い位置に配置した請求項１３記載の酸素濃縮装置。
【請求項１５】
内側空気室の吸気口は、ヒータへの電力供給用リード線が筐体より導出される部位近傍に配置した請求項１３記載の酸素濃縮装置。
【請求項１６】
内側空気室に臨む放熱体を筐体より形成した請求項１２記載の酸素濃縮装置。
【請求項１７】
内側空気室に臨む放熱体を壁より形成した請求項１２記載の酸素濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中の酸素を濃縮して高濃度酸素を供給する酸素濃縮装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、空気から酸素を分離する手段として、酸素透過膜を用いて物理的に振るい分ける方法があった（例えば特許文献１参照）。また、電気化学的に酸素イオンのみを移動させて分離する方法もあり、前記方法ではイオン導電性と電子導電性を併せ持つ混合導電体を用いていた（例えば特許文献２参照）。
【０００３】
混合導電体は、外部回路がなくても酸素分圧差を駆動力として酸素を透過させるものである。また、混合導電体の温度を上昇させるために、電極膜間に電圧を印可する方式のものもあった（例えば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平２−１３６６３１号公報
【特許文献２】特許第２８１３５９６号公報
【特許文献３】特許第３２９５３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、酸素透過膜を用いた方法では減圧ポンプが必要であり、その騒音と重量、全体の容積が大きくなる点で使い勝手が悪いものであった。さらに分離できる酸素濃度は３０〜４０％と限界があった。
【０００５】
一方、混合導電体を用いた電気化学的な方法では、静音でコンパクトな構成が可能であり、さらに発生する酸素濃度が１００％であるという利点はあるものの、装置使用時の高濃度酸素の供給量は少量で効率的でないという課題があった。
【０００６】
本発明は、電気化学的に酸素イオンのみを移動させて分離する方法における従来の課題を解決するもので、高濃度酸素を効率よく供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の酸素濃縮装置は、酸素イオン導電性を有する固体電解質から形成された酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子を加熱するヒータとを備え、前記酸素ポンプ素子を筐体の相対する２面に配置し、それら酸素ポンプの間に前記ヒータを対向して位置させたものである。
【０００８】
これにより、ヒータの熱で効率的に酸素ポンプ素子を加熱でき、その分、コンパクトな構成で大量の高濃度酸素を発生することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の酸素濃縮装置によれば、酸素ポンプ素子の電解質がヒータを介して高密度加熱されるところから、コンパクトな構成で大量の高濃度酸素を発生することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の酸素濃縮装置は、酸素イオン導電性を有する固体電解質から形成された酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子を加熱するヒータとを備え、前記酸素ポンプ素子を筐体の相対する２面に配置し、それら酸素ポンプの間に前記ヒータを対向して位置させたもの
であり、ヒータの熱で効率的に酸素ポンプ素子を加熱できる。
【００１１】
ヒータは酸素ポンプ素子よりも大きくし、加えて、その中央部分より周囲の面積あたりの発熱量を高く設定し、均一に酸素ポンプ素子が加熱されるようにしておく。
【００１２】
酸素取出しは筐体の一部位に形成した孔からなされるものである。
【００１３】
好ましくは、温められた酸素が対流により効率的に出て行くように垂直方向に配置されたヒータの最上端より上部に孔を位置させ、また、熱に弱いヒータの電力供給用リード線を保護するために、ヒータへの電力供給用リード線を同ヒータのより下部より導出するのが望ましい。
【００１４】
また、筐体の外側にさらに外殻筐体を設けて、それらの間に空流動空間を形成し、この空流動空間を流動する空気中から酸素ポンプ素子を介して酸素を濃縮取出し、前記筐体内部へ送り込むようにした。したがって、筐体は外側筐体で断熱される形となり、より均一で効率的な加熱を行うことができる。
【００１５】
この場合、外殻筐体の下部と上部に吸気口と排気口を設けるとともに、排気口はヒータの最上端より高い位置に、吸気口はヒータの最下端より低い位置にそれぞれ配置するのが望ましい。
【００１６】
こうすることによって、空流動空間には対流作用によって多くの新鮮な空気が流れることとなり、酸素ポンプ素子への空気供給も増加することとなり、スペースの効率的活用がなされる。
【００１７】
そして、空流動空間に臨む放熱体を筐体より形成しておけば、空流動空間に放出される熱を合理的に回収して空流動空間を流動する空気を予熱し、酸素ポンプ素子の活性度を一層高めることができる。
【００１８】
また、外殻筐体内を壁で仕切ることで、外側空気室と酸素ポンプ素子と接する内側空気室とを構成するとともに、それら内、外空気室は相互に連通させた。この相互に連通はそれらの上部で相互に連通しており、前記内側空気室の下部に吸気口を、外側空気室の下部に排気口をそれぞれ形成した形とする。その結果、内、外空気室を新鮮空気が蛇行するようになって、これらを仕切る壁を通して熱が移動するので、予熱もしくは熱回収が確実になされ、加えて、内側空気室の吸気口を外側空気室の排気口よりも低い位置に配置しておけば、対流による空気流動が確実になされる。
【００１９】
前記の内側空気室の吸気口をヒータへの電力供給用リード線が筐体より導出される部位近傍に形成しておくことでこのリード線の過熱が防げることとなる。
【００２０】
外殻筐体内を壁で仕切って外側空気室と内側空気室とを構成したものでも、内側空気室に臨む放熱体を筐体と壁より形成しておくことで、より一層熱回収効果をたかめることができる。
【００２１】
放熱体は板状のもの、ピン状のものなど放熱面積を拡大するものであれば、構成的に限定を受けないのは云うまでもない。
【００２２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２３】
（実施の形態１）
図１において、酸素ポンプ素子１は、イオン導電性の固体電解質の両面に電極膜を形成させて構成されている。
【００２４】
固体電解質は、酸素イオン導電性を有する金属酸化物であり、イットリア安定化ジルコニア等の汎用的な固体電解質でも良いが、ランタンとガリウムを組成に持つランタンガレート系のペロブスカイト型酸化物がより好ましい。特に輸率がほぼ１．０となるよう他の金属を添加したものが好ましい。
【００２５】
本実施の形態ではストロンチウムとマグネシウムを添加して焼結させたランタンガレートを、直径３０ｍｍ、厚み０．２ｍｍに加工して用いる。
【００２６】
図示していない両面の電極膜には、白金や銀などの貴金属、サマリウムとコバルトから成る金属酸化物などを用いる。これら電極膜は、スクリーン印刷による塗布や蒸着、スパッタリングによって形成する。
【００２７】
この酸素ポンプ素子１を６００℃以上に加熱し、両電極膜間に直流電圧を印加するとカソード側の空気から酸素分子が酸素イオンとして固体電解質に取り込まれ、アノード側の電極膜へ移動する。アノ−ド側の電極膜に到達した酸素イオンは酸素分子となり、アノ−ド電極側の内部空間に排出され、酸素分子が濃縮されるしくみである。
【００２８】
前記酸素ポンプ素子１は、略直方体の酸素濃縮用の筐体２の相対する２面に配置され、図示していない両電極膜の、カソード側を筐体２の外側、アノード側を筐体２の内側として直流電圧を印加すると、上述のように外側の空気から酸素だけが矢印Ａのように内部へ移動して酸素濃縮がおこなわれる。
【００２９】
そして、酸素ポンプ素子１を加熱するのが加熱ヒータ３であり、電源より電力供給用リード線４を通って電力が供給され、酸素ポンプ素子１を加熱する。
【００３０】
加熱ヒータ３は略直方体の筐体２の略中心、すなわち、一対の酸素ポンプ素子１の間に位置しており、電力供給用リード線４は筐体２の下部より外部に出ている構成である。
【００３１】
筐体４の上部には酸素取出し孔５があり、ここより濃縮された酸素が矢印Ｂのように排気される。
【００３２】
筐体２の外側を取り囲み、間に空気流動空間６を構成するように外殻筐体７が設けられ、その下部に吸気口８が、上部に排気口９が形成してある。したがって、この空気流動空間６を流動する新鮮な空気が酸素ポンプ素子１表面に巡る構成となっている。
【００３３】
また、筐体２からは前記空気流動空間６に臨む熱交換用のフィン状放熱体１０が設けられ、筐体２で発生する熱を空気流動空間６を流れる空気に伝えるようになっている。
【００３４】
以上のように構成された酸素濃縮装置の動作、作用を説明する。ヒータ３の作動により酸素ポンプ素子１を６００℃以上に加熱する。
【００３５】
また、図示していない直流電源によって、酸素ポンプ素子１の表面の電極膜（カソード側が縮筐体２の外側、アノード側が筐体２の内側）に直流電圧を印加する。すると、カソ−ド電極側の外部空間、つまり、空気流動空間６を流れる空気中の酸素分子は、カソ−ド電極膜から酸素イオンとして固体電解質に取り込まれて、アノ−ド電極膜まで移動する。アノ−ド電極に到達した酸素イオンは酸素分子となり、筐体２の内側に矢印Ａのように移
動する。この動作が続くと、筐体２内部の酸素は酸素取出し孔５よりその濃度を上げながら矢印Ｂのように排気されていく。
【００３６】
本実施の形態のように、酸素ポンプ素子１が略直方体の筐体２の相対する２面に配置され、その中心にヒータ３があることによって、そのヒータ３の熱が効率的に酸素ポンプ素子１に伝えられるので、小さなスペースでも酸素ポンプ素子１を６００℃以上に、かつ均一に加熱することが可能となる。
【００３７】
特に、均一加熱は重要であり、厚み０．２ｍｍの固体電解質からなる酸素ポンプ素子１に熱膨張ストレスを最小限にすることができるのである。
【００３８】
また、ヒータ３の加熱部分より内側に酸素ポンプ素子１を設ける、換言すれば、酸素ポンプ素子１よりもヒータ３を大きく設定しておけば、酸素ポンプ素子１をより均一に加熱することができる。
【００３９】
望ましくは、ヒータ３の発熱量を中央部より周囲を大きくして、酸素ポンプ素子１の熱分布を均一化するのが好ましい。
【００４０】
筐体２は酸素取出し孔５を除いて密閉構造であるので、その内部の熱分布が均一になりやすい。さらに、この酸素取出し孔５はヒータ３の上端より高い位置にあるので、対流効果によって酸素分子が排出されやすい構造となっている。一方でその対流によって相対的に熱が伝わり難いヒータ３の下部に位置したところに電力供給用リード線４が存在するので、過熱防止のためのスペースを小さくでき、これにより全体的にコンパクト化できるものである。
【００４１】
本実施の形態では、筐体２の外側には外殻筐体７を配置したので、それらの間の空気流動空間６に断熱作用が期待できる。しかも、外殻筐体７の上部と下部にそれぞれ吸気口８と排気口９があって、対流作用で新鮮空気の流動が促進されるところから、酸素濃縮作用も活発になされることになる。
【００４２】
筐体２から外側へ向けて配置された放熱体１９は、この筐体２で発生する熱を空気流動空間６を流れる空気に伝えてこれを予熱するのに役立ち、熱ロスを可及的に小さくしている。
【００４３】
以上のような構成をすることによって、ポンプなどで空気を送ることなく、熱の対流によって自然に空気を流しているので、コストのかからないコンパクトな酸素濃縮装置を実現することが可能となる。
【００４４】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２を示し、先の実施の形態１と重複する部分については、同一符号を付し、その具体的説明は実施の形態１のものを援用する。
【００４５】
図２において、空気流動空間６を壁１１を介して内側空気室６ａと外側空気室６ｂに区画したものである。壁１１の上端は外殻筐体７の頂壁より下方にある。
【００４６】
吸気口８は内側空気室６ａの下部に、排気口９は外側空気室６ｂの下部に設けてあり、新鮮な空気が吸気口８より内側空気室６ａに入って酸素ポンプ素子１表面を流動した後、上部でUターンするように蛇行して外側空気室６ｂに流れ、排気口６ｂから排出される。つまり、矢印Ｅから矢印Ｆへと流れる。前記Uターンする蛇行状流れが確実に生起されるように、排気口６ｂは吸気口８よりも高所に形成されている。
【００４７】
また、筐体２と壁１１とには内側空気室６ａに共に臨むフィン状の放熱体１０ａと１０ｂがそれぞれ設けてあり、筐体２で発生する熱、および外側空気室６ｂを流れる空気が保有する熱を内側空気室６ａを流れる空気に伝えるようにしている。
【００４８】
図２のように、吸気口８が排気口９に比べて電力供給用リード線４に近い位置にあるのは意味がある。
【００４９】
一般に熱に強くない部材からなる電力供給用リード線４を高熱から守るには、相対的に低い温度となる吸気口８の近くに配置したほうがよいからである。ただし、その場合吸気口８からすぐに酸素ポンプ素子１に達する構成となるので、短い距離の間に温度を上げる必要がある。
【００５０】
したがって、吸気口８を電力供給用リード線４から遠い位置の外側空気室６ｂに設けても良い。つまり、外側空気室６ｂから内側空気室６ａへ空気が流れる構成でも熱ロスの少ない構成が得られるが、反対に電力供給用リード線４近傍が高温になるので耐熱を施す必要が発生するのである。
【００５１】
以上のように、酸素ポンプ素子１において酸素濃縮に必要な熱が流れる空気によって放熱してしまわないよう効率的に熱を回収するので、エネルギーロスの少ない、コンパクトな酸素濃縮装置を実現することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、本発明にかかる酸素濃縮装置は、効率よく高濃度酸素を供給することができるため、吸入用高濃度酸素の応用製品として利用できる。このような電化製品として、例えばエアコン、空器清浄器、送風機、酸素吸入器、またはそれらが機能の一部として組み込まれた製品があげられる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態１における酸素濃縮装置の断面図
【図２】本発明の実施の形態２における酸素濃縮装置の断面図
【符号の説明】
【００５４】
１  酸素ポンプ素子
２  筐体
３  ヒータ
４  電力供給用リード線
５  酸素取出し口
６  空気流動空間
６ａ  内側空気室
６ｂ  外側空気室
７  外殻筐体
８  吸気口
９  排気口
１０，１０ａ，１０ｂ  放熱体
１１  壁
【図１】
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【図２】
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